Политех в Сети

Сайт для Учебы

9.1. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Рейтинг пользователей: / 7
ХудшийЛучший 

АНТЕННЫЕ УСТРОЙСТВА

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

В радиотехнических системах используется чрезвычайно широкий диапазон радиоволн, современная классификация которых приведена в таблице 9.1.

Диапазоны радиоволн Таблица 9.1

Наименование волн

Диапазон длин волн

Диапазон частот

Декамегаметровые

100¸10 Мм

3¸30 Гц

Мегаметровые

10¸1 Мм

30¸300 Гц

Гектокилометровые

1000¸100 км

0,3¸3 кГц

Мириаметровые

100¸10 км

3¸30 кГц

Километровые

10¸1 км

30¸300 кГц

Гектометровые

1¸0,1 км

0,3¸3 МГц

Декаметровые

100¸10 м

3¸30 МГц

Метровые

10¸1 м

30¸300 МГц

Дециметровые

1¸0,1 м

0,3¸3 Ггц

Сантиметровые

10¸1 см

3¸30 Ггц

Миллиметровые

10¸1 мм

30¸300 Ггц

Децимиллиметровые

1¸0,1 мм

0,3¸3 Тгц

По десятичной классификации радиоволн, существующей в практике радиосвязи многие годы, различают сверхдлинные (СДВ) (10¸100 км), длинные (1¸10км), средние (100¸1000м), короткие (10¸100м), метровые (1¸10м), дециметровые (10см¸1м), сантиметровые (1¸10см) и миллиметровые (1мм¸1см) волны. Радиоволны длиной от 1мм до 10м относятся к диапазону ультракоротких волн (УКВ). УКВ диапазон включает в себя четыре поддиапазона: метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Сантиметровые и дециметровые волны относятся к диапазону сверхвысоких частот (СВЧ).

Распространение электромагнитных волн от передатчика к приемнику происходит в свободном пространстве, окружающем земной шар. Свойства этой среды оказывают влияние на качество радиосвязи. Скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве

, (9.1)

Где: - диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума);

- магнитная проницаемость воздуха (вакуума).

Волновое сопротивление свободного пространства

. (9.2)

Поверхностный слой Земли является слабо проводящей средой, по изгибам которой распространяется и частично поглощается электромагнитная волна. Существенное влияние на распространение радиоволн оказывают неоднородности атмосферы, которую принято делить на три слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой. Тропосфера простирается над земной поверхностью до высот 8¸10 км в полярных широтах и до 16¸18 км в тропиках. Воздушные течения создают в тропосфере большое число локальных неоднородностей, насыщенных водяными парами, которые существенно влияют на распространение радиоволн.

На высотах от 10¸18 км до 60 км находится стратосфера. Плотность воздуха в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. Здесь нет воздушных течений и перемешивание газов происходит только за счет восходящих и нисходящих потоков. Малая неоднородность стратосферы слабо влияет на распространение радиоволн.

Начиная с высоты примерно 60 км, располагается верхний слой атмосферы – ионосфера. На больших высотах газы располагаются в соответствии с их молекулярным весом, что приводит к расслоению атмосферы. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и потока космических частиц в этой области происходит ионизация отдельных атомов газов, в результате чего появляются свободные электроны и положительно заряженные ионы. Благодаря наличию электрически заряженных частиц ионосфера обладает свойством отражать радиоволны. Связь на больших расстояниях при малых мощностях передатчиков становится возможной благодаря пространственным волнам, которые отражаются от ионосферы. Различают четыре области ионизации: D, E, F1, F2.

Существует два четко выраженных максимума ионизации: один на высоте от 90 до 170 км, так называемый слой Е, и слой F, который начинается на высоте 200 км и простирается до высоты 500 км. Электронная плотность слоя Е колеблется от 103 до 105 эл/см3. Слой F расщепляется на два слоя – F1 (от 200 км до 300 км) и F2 (от 300 км до 500 км). Электронная плотность в слое F достигает величины 106 эл/см3 и более. Строение ионосферы непрерывно изменяется. Эти изменения имеют годичную и суточную периодичность, а также связаны с периодом солнечной активности. Самый нижний слой ионосферы, слой D, ежедневно возникает на высоте от 60 км до 90 км и имеет плотность порядка 102¸103 эл/см3. Распределение электронной плотности слоев ионосферы показано на рис.9.1.

описание: слоиионосферы

Рис.9.1. Электронная плотность слоев ионосферы.

За пределами земной атмосферы простирается космическое пространство, которое состоит из электронов, протонов и атмосферного водорода и имеет плотность 20¸40 эл/см3.

В однородных средах радиоволны распространяются по прямолинейным траекториям. Радиоволны, распространяющиеся вблизи поверхности Земли из-за явления дифракции, огибают ее поверхность и называются земными или поверхностными волнами.

Изменение электрических параметров тропосферы и наличие большого числа неоднородностей приводит к искривлению траекторий распространения радиоволн и к их рассеянию. Радиоволны, распространяющиеся за счет направленного действия тропосферы и рассеяния в тропосфере, называются тропосферными.

В ионосфере радиоволны способны испытывать как однократное, так и многократное отражение. При однократном отражении радиоволны способны распространяться на расстояния свыше 4000 км. При многократном отражении радиоволны распространяются в сферическом волноводе Земля-ионосфера и способны несколько раз обогнуть земной шар. Радиоволны, отражающиеся от ионосферы, называются ионосферными или пространственными.

Каждый из диапазонов радиоволн отличается своими особенностями распространения.

Для длинных волн (l=1¸10 км) характерно распространение за счет двух волн: поверхностной и ионосферной. Поверхностные волны затухают сравнительно медленно и распространяются вследствие дифракции на расстояния 300¸400 км. На большие расстояния распространяются ионосферные волны, которые появляются из-за отражения от нижних границ слоя D в дневное время и слоя E в ночное время. Связь на длинных волнах весьма устойчива, что обусловлено относительным постоянством электронной плотности в слое Е.

Распространение средних волн (l=100¸1000 м) также происходит за счет поверхностной и ионосферной волн. Так как затухание радиоволн в почве растет пропорционально квадрату частоты, то средние волны распространяются на меньшие расстояния по сравнению с длинными волнами. Ионосферные волны в диапазоне средних волн отражаются от средних областей слоя Е, где электронная плотность достаточно высока. Проникновение радиоволн на значительную глубину слоя Е приводит к их сильному поглощению. Особенно велико затухание средних волн днем, когда появляется слой D, а нижняя граница слоя Е опускается. Ночью электронная плотность в слое D и в нижних областях слоя E сильно падает и затухание волн в них значительно уменьшается. В ночное время на больших расстояниях от радиостанции электромагнитное поле является результатом интерференции поверхностной и ионосферной волн, что вызывает эффект замирания сигнала.

На коротких волнах (l=10¸100 м) поверхностные волны затухают больше, чем на средних волнах. Поэтому радиосвязь за счет поверхностных волн возможна только на расстояниях в несколько десятков километров. Радиосвязь на больших расстояниях осуществляется только за счет ионосферных волн. Отражение от ионосферы происходит лишь при условии, что угол падения достаточно мал. Волны, распространяющиеся под большим углом к горизонту, проникают в ионосферу без отражения и назад не возвращаются. Поэтому вблизи передатчика образуется «зона молчания», куда не попадают ни поверхностные, ни ионосферные волны, как показано на рис.9.2.

описание: зонамолчания

Рис.9.2. Образование зоны молчания

В зависимости от времени суток различают оптимальные с точки зрения отражения от ионосферы длины волн и используют дневные волны (l=10¸25 м), ночные волны (l=35¸100 м) и сумеречные волны (l=25¸30 м). Особенностью радиосвязи на коротких волнах являются замирания сигнала, вызываемые интерференцией нескольких ионосферных волн, приходящих в приемную антенну различными путями.

В УКВ диапазоне (l=1 мм¸10 м) каждый из четырех поддиапазонов имеет свои особенности распространения. Волны всех поддиапазонов не испытывают отражений от ионосферы, поэтому на УКВ невозможна радиосвязь за счет ионосферной волны. В то же время волны УКВ диапазона слабо дифрагируют на поверхности Земли. Поэтому нормальную радиосвязь можно обеспечить лишь в пределах прямой видимости на расстоянии

Км, (9.3)

Где и - соответственно высота передающей и приемной антенн в метрах.

Для увеличения дальности связи в УКВ диапазоне необходимо увеличивать геометрическую высоту антенн, что реализуется строительством высотных башен. Кроме того, для распространения УКВ на большие расстояния строят специальные ретрансляционные линии передач и используют искусственные спутники Земли.

Возможно также получить достаточно надежную связь за счет рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы и ионосферы. При рассеянии создается излучение во все стороны, как показано на рис. 9.3, причем наибольшая часть излучения направлена в сторону распространения исходной волны – это так называемое «рассеяние вперед».

описание: тропосферное рассеяние

Рис.9.3.Тропосферное рассеяние

Кроме него имеется, хотя и более слабое, излучение во всех направлениях, за счет которого возможен прием УКВ и за пределами прямой видимости. Эффект рассеяния от многих неоднородностей усредняется, что обеспечивает в приемной антенне напряженность поля, достаточную для надежной непрерывной связи.